Tuesday, February 1, 2011

Uraanista, hiilestä ja kullasta

Gaiassa oli taas hyvin konkreettinen ja hauska vertailu polttoainemääristä toisaalta hiilivoimaloissa ja toisaalta ydinvoimaloissa. Pelkiä määriä vertailemalla saa jo hyvän tuntuman siitä minkä louhimisen ympäristövaikutukset ovat suurempia. Samoin siellä huomautettiin aivan oikein, että hiilivoimala voi "polttaa" itseasiassa enemmän uraania kuin ydinvoimala. Tämä voi kuulostaa yllättävältä, mutta tulos on aika itsestään selvä, jos tietää minkälaisia määriä uraania ympäristössämme tyypillisesti esiintyy.

Kysymys: Voisimmeko käyttää ydinvoimalan polttoaineena satunnaista kiveä?

Minua eivät nyt kiinnosta tarkat laskut vaan suuruusluokat. Unohdetaan siis tekijöiden kaksi virheet yms. yhdentekevyydet. Nykyisissä uraanikaivoksissa louhitaan uraania paljon korkeamman pitoisuuden kivistä kuin se 3ppm pitoisuus mitä maankuoressa keskimäärin on. Olemassa olevien kaivosten energian käytöstä löytyy tietoja, mutta en ainakaan samantien löydä tietoa siitä kuinka energiankulutus nousee, kun uraaninpitoisuus laskee. Lisäksi joissain kaivoksissa uraania louhitaan toisen malmin sivutuotteena mikä hankaloittaa sen louhinnan energiakustannusten laskemista. Suurin osa kustannuksista olisi nimittäin tapahtunut joka tapauksessa päämalmia louhittaessa.

Käytän siis kiertotietä. Ihmiset nimittäin louhivat kultaa 1...2ppm pitoisuuksista joten sen louhimisen energiakustannukset ovat luultavasti suuntaa antavia myös uraanin tapauksessa. (Miksi ne poikkeaisivat paljon?) Kulta kilon louhimiseen käytetään tyypillisesti noin 143 GJ energiaa. Hyötyreaktorissa uraanista voi saada irti energiaa noin 83 TJ/kg mikä on melkein 600 kertaa enemmän kuin arvio siitä energiasta mitä uraanin louhimiseen käytettiin. (Mikäli käytämme kevytvesi reaktoria ei ero ole noin valtava, mutta silläkin energiaa näytetään saavan irti enemmän kuin mitä louhimisessa käytetään. Silloin on tosin loppusaldoon vielä lisättävä rikastukseen käytettävä energia. Lisäksi kaikki kiven uraani ja torium, joka myös kelpaa polttoaineeksi, ei ehkä ole helposti irroitettavissa, joten tätä leikkiä pitäisi toki parannella. Toisaalta toriumia on 3-4 kertaa uraania enemmän, joten tuo 3ppm on vahvasti alakanttiin joka tapauksessa.)

Entä kustannukset? Kulta kilon hinta heittelehtii sinne tänne, mutta 10000 euroa/kg on oikea suuruusluokka. Jos energia maksaa 5 senttiä/kwh, on sen osuus kultakilon hinnasta 2000 euroa eli noin 20%. Tuolla energian hinnalla uraanikilo tuottaa energiaa yli miljoonan arvosta eli polttoaineen hinta olisi joitain tuhannesosia tuotetun energian arvosta. (On kuitenkin syytä pitää mielessä, että mikäli uraanin hinta koskaan nousisi tuollaiselle tasolle sitä kannattaisi seuloa merivedestä kallioiden sijaan.)

Entä volyymit? Kultaa tuotetaan vuodessa noin 2300 tonnia ja tämä määrä mahtuisi meidän kerrostaloasunnon olohuoneeseemme (kullan ja uraanin tiheys on melkein sama). Jos uraania tuotettaisiin sama määrä, hyötyreaktoreissa siitä voisi saada energiaa noin 200 EJ (E=10^18). Vuonna 2008 ihmiskunnan energiankulutus oli 474 EJ! Toisin sanoen mikäli koko maailman energiankulutus katetaan ydinvoimalla (hyötyreaktoreilla), tarvittava uraaninlouhinnan voluumi on samaa suuruusluokkaa kuin kullanlouhinnan volyymi tänään. (Yksi maailman suurimmista uraanikaivoksista on Olympic Dam kupari-uraani kaivos Australiassa, joka tuottaa yli 4000 tonnia uraania vuodessa.)

Kuriositeettina täytyy muuten mainita, että nähtävästi ihmiskunta on koko historiansa aikana tuottanut kultaa noin 150000 tonnia. Tämä mahtuisi 50mx50m kokoiseen uima-altaaseen, jonka syvyys on 3m....ja lopuksi vielä pieni disclaimer. Toki tiesin vastauksen asettamaani kysymykseen jo ennen kuin aloin arvioimaan suuruusluokkia. Mahdollisuus kivien polttamiseen energiaksi on ymmärretty jo vuosikymmeniä. (Tuo Weinbergin artikkeli sisältää muitakin hauskoja spekulaatioita ihmiskunnan tulevaisuudesta. Vuonna 1959 hän oletti ihmiskunnan väkiluvun stabiloituvan noin seitsemään miljardiin...ts. nykyiseen väkilukuun. Se meni pieleen. Tällaisen ihmiskunnan hän oletti tarvitsevan noin 2000EJ energiaa vuosittain. Nykyinen kulutus on nähtävästi noin neljäsosa tästä, mutta toisaalta suuri osa ihmiskuntaa elää yhä kurjuudessa. )

Mitään järkeähän "satunnaisten kivien polttamisessa" tuskin kuitenkaan on ennen kuin rikkaammat uraanin ja toriumin esiintymät on käytetty, mutta periaatteellinen mahdollisuus tähän on olemassa.

4 comments:

Kaj Luukko said...

Mainio vertailu, jonka ajattelun joskus itsekin tehdä, mutta nyt ei tarvitse!

Nyt en jaksa tarkistaa numeroita, joten kysyn, otitko huomioon, että sähköksi uraanin energiasta on mahdollista muuttaa vain alle puolet? Tällä ei tietenkään ole suuruus-luokkatarkastelun suhteen merkitystä, vaikka ylittääkin tekijän kaksi. (Minusta vaikuttaa siltä, että jossain on nyt pilkkuvirhe.)

Jani said...

Kaj: en ottanut tuota huomioon. En edes tarkistanut puhuttiinko esim. wikipedian globaalin energiankulutuksen kohdalla vain sähköstä vai primäärienergiasta. Usein nämä sotkeentuvat. Tuollaiset virheet ovat siis aivan mahdollisia. Siirrän vastuun lukijalle ja luotan, että ainakaan tuota tekijää 600 ei löydy mistään :-)

Kaj Luukko said...

Jos pikaisesti lasketaan hatusta, niin minusta tämä menee näin:
Ydinvoima tuottaa n. 6 % primäärienergiasta. Reaktoreita on nyt 400 ja rapiat. Lasketaan luvuilla 5 % ja 400 kpl, jolloin reaktoreita tarvitaan 8000 kpl jotta saadaan 100 % primäärienergiasta. Tämä installaatio voisi kuluttaa n. 8000 tonnia uraania vuodessa. Vastuu on edelleenkin lukijalla, mutta samoilla hehtaareilla ollaan. Pilkkuvirhettä ei ole, vaikka ensin luulin.

Jani said...

Kiitos! Yksi asia mikä muuten myös vaikuttaa kustannuksiin on mahdollisuus napata muita aineita uraanin ohessa. Esim. neodyniumin hinta on nyt noin 100euroa/kg, jos sitä on about 30ppm ja sen saa "sivu" tuotteena niin sen arvo yksinään olisi suunnilleen sama mitä se 8000 tonnia uraania maksaa. Tämä tietenkin olettaen epärealistisesti, että nykyinen hintataso ei muutu. Varmasti muitakin sivutuotteita olisi...